DE3718467A1

DE3718467A1 - ADJUSTMENT DEVICE FOR AN OPTICAL ELEMENT

Info

Publication number: DE3718467A1
Application number: DE19873718467
Authority: DE
Inventors: Willibald Dipl Ing Dost; Hans Dipl Ing Kreutzer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1988-12-15

Abstract

The support (23) of the optical element (17) is connected by means of a bellows (15) to a basic body (10) which has a reference surface (22), and can be adjusted with respect to said basic body. As adjusting elements there are provided between the support (23) and the basic body (10) two annular discs (1, 2) which are clamped by the spring force of the bellows (15) and rest against each other with wedge surface (3, 4) and can be rotated with respect to each other, and which make it possible to adjust the optical element in a simple, precise, and permanent manner. The device is suitable for adjusting a reflecting mirror in laser cavities (laser resonant cavities). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Justiereinrichtung für ein optisches Element, insbesondere für einen Reflektorspiegel eines optischen Resonators, das an einem Träger angeordnet ist, der mittels eines koaxial zu der optischen Achse verlaufenden Balges mit einem eine Referenzfläche aufweisenden Grundkörper verbunden und gegenüber diesem Grundkörper verstellbar ist.The invention relates to an adjusting device for a optical element, especially for a reflector mirror an optical resonator arranged on a carrier, that by means of a coaxial to the optical axis Bellows with a base body having a reference surface connected and adjustable relative to this base body.

Bei optischen Anordnungen, z.B. bei einer optischen Bank oder bei Lasern, müssen optische Elemente, d.h. im Falle eines Lasers die Reflektorspiegel des optischen Resonators, möglichst genau parallel zueinander justiert werden. Dabei muß die einmal vorgenommene Justierung eines optischen Elementes unabhängig von mechanischen und/oder thermischen Einflüssen über längere Zeit erhalten bleiben.In optical arrangements, e.g. at an optical bench or with lasers, optical elements, i.e. in case of a Laser the reflector mirror of the optical resonator, if possible be adjusted exactly parallel to each other. The one time made adjustment of an optical element independently of mechanical and / or thermal influences over longer periods Time is preserved.

Aus der US-PS 41 50 343 ist ein Glaslaser bekannt, bei dem ein Reflektorspiegel unmittelbar in einen gleichzeitig als Träger dienenden, koaxial zu der optischen Achse angeordneten Balg eingesetzt ist, der an seinem anderen Ende an dem Gehäuse, welches eine zu dem anderen Spiegel parallele Referenzfläche aufweist, befestigt ist. Der Balg als Träger des Reflektor spiegels kann gegenüber dem Gehäuse verstellt werden. Eine Justiereinrichtung für den zu dem anderen Spiegel parallel auszurichtenden Reflektorspiegel ist jedoch nicht gezeigt.From US-PS 41 50 343 a glass laser is known in which a Reflector mirror immediately in a simultaneously as a carrier serving bellows, arranged coaxially to the optical axis inserted at the other end of the housing, which is a reference surface parallel to the other mirror has, is attached. The bellows as the carrier of the reflector mirror can be adjusted relative to the housing. A Adjustment device for the parallel to the other mirror However, the reflector mirror to be aligned is not shown.

Bekannte Justiereinrichtungen sind meistens so aufgebaut, daß der Träger des optischen Elementes mit einem Grundkörper über ein elastisches Zwischenstück verbunden und mit Hilfe von im allgemeinen drei an den Ecken eines Dreiecks angeordneten, gegen den Grundkörper wirkenden Justierschrauben verstellbar ist. Eine derartige Justiereinrichtung ist z.B. aus der DE-PS 31 30 420 bekannt. Bei Justiereinrichtungen mit Drei punktjustage, d.h. mit drei an den Ecken eines Dreiecks in einer Verstellebene angeordneten und in mehreren Einstell vorgängen zu betätigenden Justierschrauben, die gegebenenfalls auch noch nach erfolgter Einstellung gekontert werden, ist jedoch im allgemeinen eine ausreichend genaue, in einfacher Weise durchführbare Justierung eines optischen Elementes nur relativ schwierig zu erreichen. Außerdem ist bei Verwendung üblicher Justierschrauben eine in sehr kleinen Winkelbereichen genaue Feinjustierung eines optischen Elementes kaum erreichbar. Ein allgemeiner Nachteil von Justierschrauben schließlich liegt darin, daß die Justierung gegenüber mechanischen und/oder thermischen Einflüssen empfindlich ist.Known adjustment devices are usually constructed so that the carrier of the optical element with a base body over an elastic intermediate piece connected and with the help of generally three arranged at the corners of a triangle, adjustable adjustment screws acting against the base body is. Such an adjustment device is e.g. from the DE-PS 31 30 420 known. For adjustment devices with three point adjustment, i.e. with three at the corners of a triangle in arranged an adjustment level and in several settings procedures to be operated adjusting screws, if necessary can still be countered even after hiring however, in general, a sufficiently accurate one in simple Only feasible adjustment of an optical element relatively difficult to achieve. It is also in use usual adjustment screws one in very small angular ranges precise fine adjustment of an optical element hardly reachable. A general disadvantage of adjusting screws finally, that is the adjustment opposite mechanical and / or thermal influences is sensitive.

Ferner ist durch die DE-AS 11 73 986 ein Gaslaser bekannt, dessen äußerer Rahmen durch ein Gestell aus zwei mittels Ab standsstäben miteinander verbundenen ringförmigen Halteplatten gebildet ist, wobei innerhalb der Kreisöffnung einer jeden Ringplatte ein Balg angeordnet ist und die voneinander ab gelegenen Enden der Bälge vakuumdicht mit Endscheiben zur Halterung von Fenstern verbunden sind. An jede Endscheibe ist ein sich jeweils ins Innere des betreffenden Balges hinein erstreckender Rohrabschnitt angesetzt, welcher jeweils durch eine Spiegelplatte abgeschlossen ist. Bei diesem bekannten Laser kann eine Endscheibe und damit die entsprechende Spiegel platte durch einen oder mehrere Einstellknöpfe verschwenkt werden. Der Einstellknopf sitzt auf einer in der einen Ring platte drehbar gelagerten Schraubspindel, welche mit einem Innengewinde der Endscheibe zusammenwirkt. Je nach Verstellung des Einstellknopfes wird der zugehörige Balg der Endscheibe zusammengedrückt oder auseinandergezogen, wodurch gleichzeitig die Winkeleinstellung der betreffenden, einen Reflektorspiegel darstellenden Spiegelplatte verstellt wird. Es können auch beide Spiegelplatten schwenkbar ausgebildet werden, wozu dann eine weitere Einstellvorrichtung für die zweite Spiegelplatte erforderlich ist. Die Einstellvorrichtungen dienen somit lediglich dazu, die Winkeleinstellung jeweils einer Spiegel platte zu verändern. Eine Beibehaltung einer planparallelen Einstellung von zwei Spiegelplatten auch im Betriebszustand des Gaslasers ist mit derartigen Einstellvorrichtungen nicht erreichbar. Außerdem werden auch bei diesem bekannten Gaslaser Stellschrauben zur Veränderung der Winkellage der Spiegel platten verwendet, so daß die bekannte Einstellvorrichtung auch noch den den Stellschrauben allgemein anhaftenden Nachteil mangelnder Justierstabilität aufweist.Furthermore, a gas laser is known from DE-AS 11 73 986, whose outer frame through a frame of two by means of Ab standing rods interconnected annular holding plates is formed, each within the circular opening A bellows ring plate is arranged and the one from the other located ends of the bellows vacuum-tight with end plates for Bracket of windows are connected. At each end plate one each inside the respective bellows extending pipe section attached, which each by a mirror plate is completed. In this well-known Laser can have an end plate and therefore the corresponding mirror plate swiveled by one or more adjustment knobs will. The adjustment button sits on one in one ring plate rotatably mounted screw spindle, which with a Internal thread of the end plate interacts. Depending on the adjustment the corresponding bellows of the end plate compressed or pulled apart, causing simultaneous the angle setting of the concerned, a reflector mirror representing mirror plate is adjusted. It can too both mirror plates are designed to be pivotable, for which purpose another setting device for the second mirror plate is required. The adjusting devices thus serve just to do this, the angle setting of a mirror change plate. Maintaining a plane-parallel Setting of two mirror plates even in the operating state of the Gas lasers is not with such adjustment devices reachable. In addition, this known gas laser Adjusting screws to change the angular position of the mirrors plates used, so that the known adjusting device also nor the disadvantage inherent in the set screws lacking adjustment stability.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile herkömmlicher Justiereinrichtungen mit Dreipunktjustage und/oder Stellschrauben zu vermeiden und eine ausreichend sichere und genaue planparallele Einstellung eines optischen Elementes zu einem anderen optischen Element in einer wesentlich einfacher durchzuführenden Weise zu erreichen. Dabei soll eine stufenlose Einstellung mit hoher Einstellempfindlich keit, d.h. eine Feinjustierung in sehr kleinen Winkelbereichen, möglich sein und die Einstellung unempfindlich und dauerhaft stabil gegenüber thermischen und/oder mechanischen Belastungen sein.The invention is therefore based on the object, the disadvantages conventional adjustment devices with three-point adjustment and / or set screws to avoid and sufficient safe and precise plane-parallel adjustment of an optical Element to another optical element in one much easier to accomplish. Here a stepless setting with high setting sensitivity speed, i.e. fine adjustment in very small angular ranges, be possible and the setting insensitive and permanent stable against thermal and / or mechanical loads be.

Diese Aufgabe wird bei einer Justiereinrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Träger des optischen Elementes und dem Grundkörper zwei mit einer zentralen Bohrung versehene, koaxial zur optischen Achse geführte Ringscheiben vorgesehen sind, daß die Ringscheiben an den einander zugekehrten Seiten mit im gleichen Winkel keil förmig abgeschrägten Stirnflächen ausgebildet und so angeordnet sind, daß diese Stirnflächen zueinander parallel sind, und daß die Ringscheiben durch die Federkraft des Balges so aneinander gedrückt sind, daß sie gegeneinander verdrehbar zwischen dem Träger und dem Grundkörper eingeklemmt sind.This task is at the beginning of an adjustment device mentioned type according to the invention in that between the carrier of the optical element and the base body with two a central bore, coaxial to the optical axis guided washers are provided that the washers on the sides facing each other with a wedge at the same angle shaped bevelled end faces and arranged so are that these end faces are parallel to each other, and that the ring discs by the spring force of the bellows are pressed that they are rotatable against each other between the Carrier and the base body are clamped.

Eine derartige Justiereinrichtung ist ohne Stell- oder Justier schrauben aufgebaut und weist als Verstellelemente zwei zwi schen dem Träger des optischen Elementes und dem Grundkörper gegeneinander verdrehbar eingeklemmte Ringscheiben mit Keil flächen auf. Mit Hilfe derartiger Verstellelemente ist eine stufenlose Einstellung mit hoher Einstellempfindlichkeit, also eine Feinjustierung in sehr kleinen Winkelbereichen, möqlich wobei eine ausreichend sichere und genaue planparallele Einstellung eines optischen Elementes zu einem anderen optischen Element erreicht wird. Dabei ist diese Ein stellung mit Hilfe der am Umfang der Mantelfläche von außen ohne weiteres zugänglichen Verstellelemente in einfacher Weise durchführbar, wobei die einmal vorgenommene Justierung eines optischen Elementes dauerhaft stabil gegenüber thermischen und/oder mechanischen Einflüssen ist und die bei Stellschrauben auftretenden Nachteile sicher vermieden werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung des Balges als elastisches Zwischenstück zwischen dem Träger des optischen Elementes und dem Grundkörper sowie in dem einfachen, völlig koaxialen Aufbau der Justiereinrichtung, so daß diese besonders gut für dicht abzuschließende Systeme, insbesondere für Gaslaser, geeignet ist.Such an adjustment device is without adjustment or adjustment screws built and has two adjusters as two rule the carrier of the optical element and the base body ring washers clamped against each other with wedge surfaces. With the help of such adjustment elements stepless adjustment with high adjustment sensitivity, so fine adjustment in very small angular ranges, possible being a sufficiently safe and accurate plane-parallel adjustment of an optical element to one other optical element is reached. Here is this one position with the help of the circumference of the lateral surface from the outside easily accessible adjustment elements in a simple manner feasible, the adjustment made once a optical element permanently stable against thermal and / or mechanical influences and that with adjusting screws occurring disadvantages can be safely avoided. Another The advantage lies in the use of the bellows as an elastic one Intermediate piece between the support of the optical element and the basic body as well as in the simple, completely coaxial structure the adjustment device, so that it is particularly good for tight Systems to be locked, especially suitable for gas lasers is.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 are specified in the subclaims.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigenThe invention is based on one in the drawing illustrated embodiment described in more detail. Show it

Fig. 1 die Justiereinrichtung in einer Seitenansicht und Fig. 1 shows the adjustment device in a side view

Fig. 2 eine weitere Seitenansicht der Justiereinrichtung im Schnitt II-II nach Fig. 1. FIG. 2 shows a further side view of the adjusting device in section II-II according to FIG. 1.

Die Justiereinrichtung ist an der Stirnseite eines Grund körpers 10, z.B. eines Gaslasergehäuses angeordnet, und umfaßt als optisches Element einen Reflektorspiegel 17 eines optischen Resonators, wobei dieser Spiegel 17 zu dem anderen nicht dargestellten Spiegel des Resonators bzw. zu der zu diesem Spiegel parallelen Referenzfläche 22 des Grundkörpers planparallel einzujustieren ist. Die Justiereinrichtung hat - wie insbesondere aus Fig. 2 deutlich erkennbar ist - einen völlig koaxialen Aufbau und besteht im wesentlichen aus mehreren in der Art von Kreisringscheiben ausgebildeten, hintereinandergeschalteten Einzelteilen, die alle koaxial zur optischen Achse 7 des Resonators angeordnet sind. Die wesentlichen Elemente der Justiereinrichtung sind ein Träger 23 für den Reflektorspiegel 17, ein z.B. als Metallbalg ausgebildeter Balg 15 zur Verbindung des Trägers 23 mit dem Grundkörper 10 und zwei als Ringscheiben 1 und 2 ausgebildete Verstellelemente, die zwischen dem Träger 23 und dem Grund körper 10 vorgesehen sind und die Verstellung des Trägers gegenüber dem Grundkörper ermöglichen.The adjusting device is arranged on the front side of a base body 10, for example a gas laser package, and includes as an optical element a reflector mirror 17 of an optical resonator, said mirror 17 to the other, not shown, mirrors of the resonator or to the parallel to this mirror the reference surface 22 of the base body must be adjusted plane-parallel. The adjustment device has - as can be clearly seen in particular from FIG. 2 - a completely coaxial structure and essentially consists of a plurality of individual parts connected in series in the manner of annular disks, all of which are arranged coaxially to the optical axis 7 of the resonator. The essential elements of the adjusting device are a carrier 23 for the reflector mirror 17 , a bellows 15, for example, designed as a metal bellows for connecting the carrier 23 to the base body 10 and two adjusting elements designed as ring disks 1 and 2 , which are between the carrier 23 and the base body 10 are provided and allow the adjustment of the carrier relative to the base body.

Die Ringscheiben 1 und 2 bestehen aus Aluminiumoxydkeramik, sind mit einer zentralen Bohrung 8 versehen und an einem zur optischen Achse 7 und damit auch zu dem Balg 15 koaxialen Bund 9 an der Stirnseite 22 des Grundkörpers 10 koaxial geführt, wobei der Bund 9 einen Innendurchmesser hat, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des Balges 15 und der Außendurchmesser des Bundes 9 gleich dem Innendurchmesser der Ringscheiben 1 und 2 entspricht. Die Ringscheiben sind an den einander zugekehrten Seiten mit im gleichen Winkel keilförmig abgeschrägten Stirnflächen 3 bzw. 4 ausgebildet und - wie aus Fig. 1 ersichtlich ist - so angeordnet, daß diese Stirnflächen 3, 4 parallel zueinander verlaufen. Am Umfang der Mantelfläche sind beide Ringscheiben 1, 2 mit nutförmigen Ausnehmungen 21 für ein entsprechendes Werkzeug ausgebildet, so daß die Ringschei ben, die gegeneinander verdrehbar sind, einfach von außen zugänglich sind und betätigt werden können. Die voneinander abgelegenen Stirnflächen 5 und 6 der beiden Ringscheiben ver laufen senkrecht zur optischen Achse 7 und bilden die Auflage fläche am Träger 23 bzw. am Grundkörper 10. Zur Auflage der zweiten Ringscheibe 2 ist in die von der Stirnfläche des Grundkörpers 10 gebildete Referenzfläche 22 ein Ring 11 aus Aluminiumoxydkeramik eingesetzt und fest mit dem Grundkörper 10 verbunden. Zur Auflage für die erste Ringscheibe 1 ist zwischen dieser und dem Träger 23 ein weiterer Ring 12 ebenfalls aus Aluminiumoxydkeramik vorgesehen, dessen der ersten Ringscheibe 1 zugewandte Stirnfläche abgerundet ist, um bei jeder Schräglage der ersten Ringscheibe 1 eine kreis linienförmige, spielfreie Auflage zu erreichen. Der Ring 12 ist fest mit dem Träger 23 verbunden, der hier aus einer den Reflektorspiegel 17 umfassenden ersten Scheibe 18 und einer zweiten Scheibe 13 besteht, die einerseits z.B. mittels eines Schweißbundes 19 fest mit der ersten Scheibe 18 und anderer seits an der Stelle 14 dicht mit dem Balg 15 verschweißt ist und auf der der ersten Ringscheibe 1 zugewandten Stirnfläche den Ring 12 trägt. Der Balg 15 ist an seinem anderen Ende 16 dicht mit dem Grundkörper 10 verschweißt und axial mit de finierter Federkraft so vorgespannt, daß die Ringscheiben 1 und 2 sowie die Ringe 11, 12 durch die Federkraft des Balges spiel frei aneinander gedrückt sind, so daß die Ringscheiben 1 und 2 gegeneinander verdrehbar zwischen dem Träger 23 und dem Grund körper 10 eingeklemmt sind.The washers 1 and 2 are made of alumina ceramics, are provided with a central bore 8 and out to a coaxial to the optical axis 7 and thus also to the bellows 15 collar 9 to the end face 22 of the base body 10 coaxial with, the collar 9 has an inner diameter , which is slightly larger than the outer diameter of the bellows 15 and the outer diameter of the collar 9 corresponds to the inner diameter of the washers 1 and 2 . The annular discs are formed on the mutually facing sides with wedge-shaped bevelled end faces 3 and 4 and - as can be seen from Fig. 1 - arranged so that these end faces 3 , 4 run parallel to each other. On the circumference of the lateral surface, both washers 1, 2 are formed with groove-shaped recesses 21 for a corresponding tool, so that the washers ben, which are rotatable relative to one another, are easily accessible from the outside and can be actuated. The remote end faces 5 and 6 of the two annular discs ver run perpendicular to the optical axis 7 and form the support surface on the carrier 23 and the base body 10th To support the second ring disk 2 , a ring 11 made of aluminum oxide ceramic is inserted into the reference surface 22 formed by the end face of the base body 10 and firmly connected to the base body 10 . To support the first washer 1 , a further ring 12, also made of aluminum oxide ceramic, is provided between the latter and the carrier 23 , the end face of which faces the first washer 1 is rounded in order to achieve a circular, play-free support at every inclined position of the first washer 1 . The ring 12 is fixedly connected to the carrier 23 , which here consists of a first disk 18 comprising the reflector mirror 17 and a second disk 13 , which on the one hand, for example by means of a welding collar 19, is tightly sealed to the first disk 18 and on the other hand at point 14 is welded to the bellows 15 and carries the ring 12 on the end face facing the first ring disk 1 . The bellows 15 is tightly welded to the base body 10 at its other end 16 and biased axially with de-defined spring force so that the washers 1 and 2 and the rings 11 , 12 are freely pressed together by the spring force of the bellows, so that the Ring discs 1 and 2 rotatable against each other between the carrier 23 and the base body 10 are clamped.

Die Justierung des Reflektorspiegels 17 erfolgt nun durch ent gegengesetztes Verdrehen der Ringscheiben 1 und 2. Dadurch wird die Lage der Reflektorfläche 20 in ihrem Winkel zur optischen Achse 7 verändert und somit der Reflektorspiegel 17 justiert. Dabei werden der Justagebereich und die Einstellempfindlichkeit durch den Keilwinkel der Winkelscheiben 1 und 2 bestimmt.The reflector mirror 17 is now adjusted by turning the ring disks 1 and 2 in the opposite direction. As a result, the position of the reflector surface 20 is changed in its angle to the optical axis 7 and the reflector mirror 17 is thus adjusted. The adjustment range and the setting sensitivity are determined by the wedge angle of the angle washers 1 and 2 .

Claims

1. Adjusting device for an optical element, in particular for a reflector mirror of an optical resonator, which is arranged on a carrier which is connected by means of a bellows running coaxially to the optical axis with a base body having a reference surface and is adjustable relative to this base body, characterized in that between the carrier (23) of the optical element (17) and the base body (10) has two with a central bore (8) provided coaxially guided to the optical axis (7), the annular discs (1, 2) are pre seen that the Ring washers ( 1 , 2 ) are formed on the mutually facing sides with end faces ( 3 , 4 ) which are tapered at the same angle and arranged so that these end faces ( 3 , 4 ) are parallel to one another, and that the ring washers ( 1 , 2 ) are pressed together by the spring force of the bellows ( 15 ) such that they can be rotated relative to one another between the carrier ( 23 ) and the base body ( 10 ) are trapped.

2. Adjusting device according to claim 1, characterized in that the annular discs ( 1 , 2 ) consist of aluminum oxide ceramic.

3. Adjusting device according to claim 1 or 2, characterized in that in the second annular disc ( 2 ) facing end face ( 22 ) of the base body ( 10 ) with a firmly connected ceramic ring ( 11 ) used for supporting the second annular disc ( 2 ) is.

4. Adjusting device according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the carrier ( 23 ) and the first ring disc ( 1 ) facing it, a fixed to the carrier ( 23 ) connected further ceramic ring ( 12 ) is provided, the first Washer ( 1 ) facing end face is rounded.

5. Adjusting device according to claim 4, characterized in that the carrier ( 23 ) consists of a the optical element ( 17 ) comprising the first disc ( 18 ) and a second disc ( 13 ), on the one hand fixed to the first disc ( 18 ) and on the other hand is firmly connected to the bellows ( 15 ) and carries the further ceramic ring ( 12 ) on the end face facing the first annular disc ( 1 ).

6. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the bellows ( 15 ) is axially biased with a defined spring force so that the annular discs ( 1 , 2 ) are pressed together without play.

7. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that groove-shaped recesses ( 21 ) are provided for a tool on the circumference of the outer surface of the annular discs ( 1 , 2 ).

8. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the base body ( 10 ) for guiding the annular disks ( 1 , 2 ) with an optical axis ( 7 ) coaxial collar ( 9 ) is formed, the inner diameter of which is somewhat larger than that Outside diameter of the bellows ( 15 ) and its outside diameter is equal to the inside diameter of the ring washers ( 1 , 2 ).